Investigadores identificaram um mecanismo crítico por trás da falha das baterias de estado sólido, oferecendo novas pistas que poderão ajudar a desenvolver tecnologias de armazenamento de energia mais seguras e duradouras.
Sempre que um smartphone é carregado ou um veículo elétrico é ligado à corrente, milhares de milhões de iões de lítio deslocam-se através de uma bateria para armazenar energia.
No futuro, os dispositivos poderão ter um desempenho muito superior graças às baterias de estado sólido, uma tecnologia que promete telemóveis com maior autonomia, sistemas de armazenamento de energia mais seguros e veículos elétricos capazes de percorrer distâncias muito maiores com uma única carga.
Mas há um problema persistente que tem impedido estas baterias de chegarem ao uso generalizado: pequenas estruturas chamadas dendrites, que são capazes de destruir uma bateria a partir do interior.
Agora, investigadores do Max Planck Institute for Sustainable Materials (MPI-SusMat) descobriram exatamente como estes defeitos microscópicos desencadeiam a falha das baterias. As conclusões, publicadas na Nature, oferecem uma nova perspetiva sobre um dos principais desafios do armazenamento de energia de próxima geração.
Ao contrário das baterias convencionais de iões de lítio, que dependem de um eletrólito líquido para transportar iões entre os elétrodos, as baterias de estado sólido usam um eletrólito cerâmico sólido.
A eliminação do componente líquido traz várias vantagens. Estes sistemas podem, em princípio, armazenar mais energia no mesmo espaço, reduzir o risco de incêndio e manter-se funcionais durante mais tempo, explica o Sci Tech Daily.
A tecnologia tem atraído enorme interesse por parte de fabricantes automóveis e de empresas de eletrónica, porque poderá melhorar de forma significativa o desempenho das baterias.
Em teoria, os smartphones poderiam funcionar durante vários dias sem serem carregados, enquanto os veículos elétricos poderiam atingir autonomias até três vezes superiores às dos modelos atuais.
Como pode lítio mole quebrar cerâmica dura?
Apesar destas vantagens, as baterias de estado sólido têm uma fragilidade surpreendente. Durante o carregamento, dendrites em forma de agulha podem crescer a partir do ânodo de lítio e avançar pelo eletrólito sólido.
Se chegarem ao elétrodo oposto, criam um curto-circuito interno que pode inutilizar rapidamente a bateria.
O que intrigava os cientistas era perceber como é que o lítio, um metal macio, conseguia penetrar e fraturar um material cerâmico muito mais duro e rígido.
P. Mehta / Max Planck Institute for Sustainable Materials
Comparação do interior de uma bateria de iões de lítio com o de uma bateria de estado sólido
“Embora os elétrodos e as dendrites em formação sejam constituídos por lítio metálico, que é macio como um ursinho de gelatina, as dendrites conseguem penetrar no eletrólito cerâmico e provocar um curto-circuito”, explicou Yuwei Zhang, autor principal do estudo.
“Como podem dendrites macias fraturar uma cerâmica sólida e rígida? Existem duas hipóteses: ou há acumulação de tensões internas no interior das dendrites, o que provoca a fratura mecânica do eletrólito sólido; ou os eletrões escapam ao longo dos limites de grão do eletrólito sólido, promovendo a formação de núcleos de lítio que acabam por se interligar.”
Para determinar qual das explicações estava correta, os investigadores criaram uma abordagem experimental abrangente que lhes permitiu estudar os materiais em vácuo e a temperaturas criogénicas. Estas condições impediram a contaminação por oxigénio e humidade e reduziram efeitos indesejados associados à microscopia eletrónica.
Revelado o mecanismo de falha das baterias
A equipa analisou de perto dendrites de lítio retidas em fissuras no eletrólito cerâmico. As medições não revelaram indícios de acumulação de lítio à frente da ponta da dendrite em avanço, um resultado que enfraquece a segunda hipótese.
Em vez disso, os resultados apontam para uma acumulação de pressão no interior da própria dendrite. “O metal de lítio macio consegue penetrar no eletrólito cerâmico rígido como um jato de água contínuo que atravessa uma rocha. Calculámos que a tensão hidrostática na dendrite acaba por levar à fratura frágil do eletrólito sólido”, afirmou Zhang.
Com uma compreensão mais clara de como ocorre a fissuração associada às dendrites, a equipa está agora a estudar formas de a impedir.
Entre as possíveis soluções estão tornar o eletrólito sólido mais resistente à fratura, acrescentar vazios microscópicos que desviem o crescimento das dendrites e reduzam a propagação das fissuras, e aplicar revestimentos protetores nos elétrodos de lítio para limitar a formação de dendrites.
Segundo os investigadores, o trabalho mostra a importância de compreender, a um nível fundamental, o comportamento dos materiais quando se desenvolvem tecnologias destinadas a aplicações reais.
(ZAP)